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Warum kann Mikro-RNA (miRNA) zu einem Vorhersageinstrument für Krebs und Herz-Kreislauf-Erkrankungen werden?
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der biomedizinischen Technologie hat sich microRNA (miRNA) zunehmend zu einem wichtigen Instrument für die Diagnose und Vorhersage von Krebs und Herz-Kreislauf-Erkrankungen entwickelt. Diese kleinen nichtkodierenden RNAs spielen nicht nur eine wichtige Rolle bei der Genregulation, sondern liefern auch wichtige Informationen für verschiedene physiologische und pathologische Prozesse. Studien haben gezeigt, dass die miRNA-Erkennungstechnologie immer ausgereifter wird, insbesondere durch die Entwicklung neuer Biosensoren, die eine weitere Verbesserung der Sensitivität und Spezifität der miRNA-Erkennung ermöglicht haben und neue Hoffnung für eine Frühdiagnose von Patienten und die Überwachung der Behandlungsreaktionen bieten.
Grundlegende Konzepte von miRNA
MicroRNAs sind eine Klasse kleiner nicht-kodierender RNAs mit einer Länge zwischen 18 und 25 Basenpaaren. Sie können die Genexpression posttranskriptionell regulieren, sind bei Tieren und Pflanzen weit verbreitet und haben regulierende Auswirkungen auf zelluläre Mechanismen. miRNAs stehen nicht nur in engem Zusammenhang mit einer Reihe von Erkrankungen wie Krebs und Herz-Kreislauf-Erkrankungen, sie kommen auch in Körperflüssigkeiten wie Speichel, Urin und Blut in großen Mengen vor, was den Prozess ihrer Erkennung nicht-invasiv und für den Patienten angenehmer macht.
Fortschritte in der miRNA-Erkennungstechnologie
Bereits 1993 isolierte der Biologe Victor Ambros die erste miRNA (lin-4) aus Caenorhabditis elegans und seitdem sind verschiedene Nachweistechnologien entstanden. Obwohl der herkömmliche Northern Blot eine hohe Spezifität aufweist, ist er wenig sensitiv und zeitaufwändig. Im Vergleich dazu weist die Reverse-Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR) in Echtzeit eine höhere Sensitivität und Spezifität auf, ihre Komplexität und hohen Kosten bleiben jedoch eine große Herausforderung.
In den letzten Jahren ist die miRNA-Erkennungstechnologie allmählich in das Hochdurchsatzzeitalter eingetreten, was uns eine neue Perspektive für das Verständnis der Frühdiagnose und Prognose von Krankheiten bietet.
Prinzip des miRNA-Biosensors
Der miRNA-Biosensor besteht im Wesentlichen aus drei Grundkomponenten, nämlich dem Bioerkennungselement, dem Wandler und dem Signalprozessor. Das Bioerkennungselement erkennt gezielt bestimmte miRNAs und der Wandler wandelt die erkannten Signale in messbare Daten um. Anschließend verstärkt und verarbeitet der Signalprozessor die Daten und gibt schließlich ein visuelles Ergebnis aus.
Spezifität und Sensitivität von miRNA
Die Spezifität von miRNA bezieht sich auf die Fähigkeit eines Biosensors, eine bestimmte miRNA in einer Probe mit mehreren Komponenten genau zu identifizieren. Da sich die Gensequenzen von miRNAs nur um ein Nukleotid unterscheiden können, ist die Entwicklung eines hochspezifischen Biosensors zu einer großen Herausforderung geworden . Darüber hinaus bezieht sich Sensitivität auf die Fähigkeit, geringe miRNA-Konzentrationen in einer Probe zu erkennen, was normalerweise die Verbesserung von Erkennungselementen und Signalverstärkungstechnologien erfordert.
Vorteile elektrochemischer Biosensoren
Elektrochemische Biosensoren bieten erhebliche Vorteile im Bereich der miRNA-Erkennung. Sie können die Produktionskosten durch einfache elektronische Geräte senken und haben Anwendungspotenzial in vielen Bereichen wie Umwelt-, Klinik- und Lebensmitteltests. Die elektrochemische Detektion basiert auf der Messung von Änderungen der Elektrodeneigenschaften und ermöglicht so eine Echtzeitanalyse von Biosensoren.
Daten zeigen, dass Biosensoren unter Verwendung moderner Materialien wie Goldnanopartikel die Nachweisempfindlichkeit auf den Pikomolar-Bereich (pM) erhöhen können.
Entwicklung optischer und mechanischer Biosensoren
Optische miRNA-Biosensoren verwenden optische Signale zur Umwandlung von Erkennungsergebnissen und haben eine gute Sensitivität und Spezifität gezeigt. Mechanische Biosensoren nutzen Technologien wie die Rasterkraftmikroskopie, um miRNA-bezogene Erkennungsergebnisse zu erhalten, was für die Erkennung verschiedener Krebsproben besonders effektiv ist.
Zukünftige Entwicklungsrichtung
In Zukunft könnte die miRNA-Erkennungstechnologie mehrere Technologien weiter integrieren und sich zu einer Mehrfacherkennungsplattform entwickeln, um die Expressionsniveaus mehrerer miRNAs gleichzeitig zu erkennen, was die Frühdiagnose und Vorhersage von Krankheiten grundlegend verändern wird. Darüber hinaus hat auch die CRISPR-basierte Technologie großes Potenzial gezeigt, da sie eine Layout-Erkennung ohne die Notwendigkeit einer Verstärkung ermöglicht und so die Erkennungseffizienz deutlich verbessert.
Welche Rolle wird die miRNA-Forschung angesichts des technologischen Fortschritts bei der Früherkennung und Behandlung von Krebs und Herz-Kreislauf-Erkrankungen spielen? Wird sie in der zukünftigen Forschung ein wichtiges Thema werden?
